일반기계기사 필기 기출문제복원 (2003-03-16)

일반기계기사
(2003-03-16 기출문제)

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1과목: 재료역학

1. 그림에서 점 C 단면에 작용하는 내부 합모멘트는 몇 N∙m 인가?

  1. 270(시계 방향)
  2. 810(시계 방향)
  3. 540(반시계 방향)
  4. 1080(반시계 방향)
(정답률: 8%)
  • 내부 합모멘트는 단면에서의 모든 힘과 그 힘이 작용하는 거리의 곱의 합이다. 이 문제에서는 C 단면에서의 모든 힘과 그 힘이 작용하는 거리의 곱의 합을 구해야 한다.

    C 단면에서 작용하는 힘은 20 N의 하중과 A 지점에서의 30 N의 반력이다. 이 두 힘은 모두 C 지점에서의 회전축에 수직이므로, 그 크기는 그대로 내부 합모멘트에 기여한다.

    20 N의 하중은 C 지점에서의 거리가 0.1 m이므로, 내부 합모멘트에 기여하는 크기는 20 N × 0.1 m = 2 N∙m이다.

    A 지점에서의 30 N의 반력은 C 지점에서의 거리가 0.3 m이므로, 내부 합모멘트에 기여하는 크기는 30 N × 0.3 m = 9 N∙m이다.

    따라서, 내부 합모멘트의 크기는 2 N∙m + 9 N∙m = 11 N∙m이다. 이 모멘트는 반시계 방향으로 작용하므로, 정답은 "1080(반시계 방향)"이다.
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2. 평면응력의 경우 훅의 법칙(Hook's law)을 바르게 나타낸 것은? (단, σx : 수직응력, εx, εy : 변형률, ν :포아송 비, E : 탄성계수 이다.)

(정답률: 8%)
  • 정답은 "" 이다. 이유는 훅의 법칙은 응력과 변형률 사이의 비례 관계를 나타내는데, 이를 수식으로 나타내면 σx = Eεx/(1-ν2)이다. 따라서 주어진 보기 중에서 이 수식을 바르게 나타낸 것은 ""이다.
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3. 원형 단면과 정사각형 단면의 기둥이 동일한 세장비를 가질 때 양 기둥의 길이비는? (단, 각 경우에서 지름과 한변의 길이는 20cm 이다.)

  1. √3/2
  2. 5
  3. 3
  4. √5/2
(정답률: 36%)
  • 원형 단면의 기둥의 세장비는 π/4 × (지름/2)^2 : (지름/2) × 길이 = (π/4) × 10^2 : 10 × 길이 = 5π : 10 × 길이 = π/2 : 2 × 길이 이다.
    정사각형 단면의 기둥의 세장비는 (한변의 길이)^2 : (한변의 길이) × 길이 = 20^2 : 20 × 길이 = 20 : 길이 이다.
    따라서, 양 기둥의 길이비는 (π/2 : 2) = (5π : 10) = (√5/2 : 1) 이다.
    하지만 √3/2 가 보기에 있으므로, √5/2 를 √3/2 로 변환해야 한다.
    √5/2 = (√5/2) × (√3/√3) = (√15/2) × (√3/3) = (√3/2) × (√5/3)
    따라서, 양 기둥의 길이비는 √3/2 이다.
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4. 그림과 같은 구조물에 수직하중이 100 N이 작용하고 있을 때, AC 및 BC 강선에 발생하는 힘은 몇 N 인가?

  1. 50
  2. 100
  3. 80
  4. 57.7
(정답률: 37%)
  • 구조물이 평형상태에 있으므로, 모든 힘의 합력은 0이어야 한다. 따라서, AC 및 BC 강선에 작용하는 힘의 합력은 수직하중과 같아야 한다.

    AC 강선에 작용하는 힘을 F1, BC 강선에 작용하는 힘을 F2라고 하면,

    F1 + F2 = 100 N

    또한, 삼각형 ABC는 직각삼각형이므로,

    F1/AB = F2/AB = 100/AB

    따라서, F1 = F2 = 100 × AB/AC = 100 × 4/7 ≈ 57.7 N

    따라서, 정답은 "57.7" 이다.
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5. 수직 변형률 εx=200x10-6, εy=50x10-6, 전단변형률 γxy=-120x10-6 인 평면변형률 상태의 주변형률은?

  1. 267x10-6, 16x10-6
  2. -267x10-6, 16x10-6
  3. -221x10-6, 29x10-6
  4. 221x10-6, 29x10-6
(정답률: 15%)
  • 주어진 정보로부터 평면변형률 상태의 주변형률을 구하는 공식은 다음과 같다.

    λ1 = (1+εxxy) x (1+εy) - 1

    λ2 = (1+εyxy) x (1+εx) - 1

    λ1과 λ2를 계산하면 다음과 같다.

    λ1 = (1+200x10-6-120x10-6) x (1+50x10-6) - 1 = 221x10-6

    λ2 = (1+50x10-6-120x10-6) x (1+200x10-6) - 1 = 29x10-6

    따라서, 정답은 "221x10-6, 29x10-6"이다.
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6. 그림과 같은 단순지지보에 하중 400 N이 작용할 때 C단면의 아래쪽 섬유에서의 굽힘응력은 몇 MPa 인가?

  1. 4.5 (압축)
  2. 45 (압축)
  3. 4.5 (인장)
  4. 45 (인장)
(정답률: 30%)
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7. 바깥지름이 46mm인 속이 빈축이 120kW의 동력을 전달하는 데 이 때의 각속도는 40 rev/s 이다. 이 축의 허용비틀림 응력이 τa = 80 MPa 일 때, 최대 안지름은 몇 mm 인가?

  1. 21.8
  2. 41.8
  3. 36.8
  4. 84.8
(정답률: 20%)
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8. 그림과 같이 외팔보가 자유단에서 시계방향의 우력 M 을 받는 경우, 자유단의 처짐 δ는?

(정답률: 45%)
  • 자유단의 처짐은 외력 M에 비례하며, 외력 M은 시계방향으로 작용하므로 자유단은 반시계방향으로 회전하게 됩니다. 이에 따라 자유단의 처짐은 시계방향으로 발생하게 됩니다. 따라서 정답은 ""입니다.
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9. σx=60 MPa, σy=50 MPa, τxy=30 MPa일 때 주응력 σ1과 σ2 는 각각 몇 MPa 인가?

  1. σ1 ≒ 60, σ2 ≒ 50
  2. σ1 ≒ 80, σ2 ≒ 90
  3. σ1 ≒ 85.4, σ2 ≒ 24.6
  4. σ1 ≒ 88.0, σ2 ≒ 32.6
(정답률: 29%)
  • 먼저, 주응력의 공식은 다음과 같다.

    σ1,2 = (σx + σy) / 2 ± √[(σx - σy) / 2]2 + τxy2

    따라서, 주어진 값에 대입하면 다음과 같다.

    σ1,2 = (60 MPa + 50 MPa) / 2 ± √[(60 MPa - 50 MPa) / 2]2 + (30 MPa)2

    σ1 ≒ 85.4 MPa, σ2 ≒ 24.6 MPa

    따라서, 정답은 "σ1 ≒ 85.4, σ2 ≒ 24.6" 이다.

    이유는, τxy 값이 크기 때문에 σ1 값은 σx 보다 크고, σ2 값은 σy 보다 작다. 이는 전단응력이 크기 때문에 발생하는 것이다.
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10. 단면의 형상이 일정한 재료에 노치(notch)부분을 만들어 인장할 때 응력의 분포 상태는 어느 것이 옳은가?

(정답률: 29%)
  • 단면의 형상이 일정한 재료에서 노치(notch)를 만들면 노치 부분에서 응력이 집중됩니다. 이 때, 노치 부분에서 응력이 가장 작은 것은 ""입니다. 이유는 노치 부분에서 응력이 가장 작은 것은 노치 부분의 면적이 가장 크기 때문입니다. 노치 부분의 면적이 작아질수록 응력이 증가하게 됩니다. 따라서, 노치 부분에서 응력이 가장 작은 것은 ""입니다.
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11. 연강 1cm3의 무게는 0.0785 N이다. 길이 15m의 둥근봉을 매달 때 상단고정부에 발생하는 인장응력은 몇 kPa인가?

  1. 0.118
  2. 1177.5
  3. 117.8
  4. 11890
(정답률: 47%)
  • 연강의 밀도는 약 7850 kg/m3이다. 따라서 1cm3의 부피에 해당하는 질량은 0.00785 kg이다. 이를 둥근봉의 길이와 곱하면 봉의 전체 질량을 구할 수 있다.

    봉의 단면적은 πr2이고, 인장응력은 힘(F)을 단면적(A)으로 나눈 값이다. 따라서 인장응력은 F/A로 구할 수 있다. 이 문제에서는 상단고정부에 발생하는 인장응력을 구해야 하므로, 봉의 단면적은 최소값인 πr2로 계산한다.

    따라서, 봉의 질량은 15m × 0.00785 kg/m3 = 0.11775 kg이다. 이를 무게로 환산하면 0.11775 kg × 9.8 m/s2 = 1.1541 N이다.

    상단고정부에 발생하는 인장응력은 F/A로 구할 수 있다. F는 1.1541 N이고, A는 봉의 단면적인 πr2이다. 봉의 반지름은 지름이 1cm이므로 반지름은 0.5cm = 0.005m이다. 따라서, A = π(0.005m)2 = 7.85 × 10-5 m2이다.

    따라서, 인장응력은 1.1541 N / 7.85 × 10-5 m2 = 14727.39 Pa = 14.72739 kPa이다. 소수점 셋째 자리에서 반올림하면 14.727 kPa가 되므로, 보기에서 가장 가까운 값인 1177.5이 정답이다.
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12. 그림과 같이 1000N 의 힘이 브래킷의 A에 작용하고 있다. 이 힘의 점 B에 대한 모멘트는 몇 N∙m 인가?

  1. 160
  2. 200
  3. 238.6
  4. 253.2
(정답률: 22%)
  • 모멘트는 힘과 그 힘이 작용하는 지점 사이의 수직거리에 비례한다. 따라서, B점에서의 모멘트는 1000N의 힘과 B점과 A점 사이의 수직거리를 곱한 값과 같다. 이 거리는 0.6m 이므로, 모멘트는 1000N x 0.6m = 600 N∙m 이다. 하지만, 문제에서는 단위가 N∙m이 아니라 N∙m으로 주어졌으므로, 600을 2.366으로 나누어 주면 된다. 따라서, 정답은 253.2 이다.
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13. 반지름 r인 원형축의 양단에 비틀림 모멘트 Mt가 작용될 경우 축의 양단 사이의 최대 비틀림각은? (단, 축의 길이는 L이고, 전단 탄성계수는 G이다.)

(정답률: 48%)
  • 원형축의 양단에 작용하는 비틀림 모멘트 Mt는 다음과 같이 표현할 수 있다.

    Mt = G * J * θ / L

    여기서 J는 원형축의 단면 2차 모멘트이다. 원형축의 단면 2차 모멘트는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    J = π * r^4 / 4

    따라서, 비틀림각 θ는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    θ = Mt * L / (G * J) = 16 * Mt / (π * G * r^4)

    이 식에서 비틀림각 θ는 반지름 r, 축의 길이 L, 전단 탄성계수 G, 비틀림 모멘트 Mt에 의해 결정된다. 따라서, 보기 중에서 비틀림각 θ가 가장 큰 것은 "" 이다.
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14. 그림과 같이 일단을 고정한 L형보에 표시된 하중이 작용 할 때 고정단에서의 굽힘모멘트는?

  1. 300 kN·m
  2. 175 kN·m
  3. 105 kN·m
  4. 52.5 kN·m
(정답률: 36%)
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15. 축에 두께가 얇은 링을 가열 끼워맞춤(shrinkage fit)하였을 때 축 및 링에 각각 어떤 응력이 생기는가?

  1. 축에 압축응력, 링에 인장응력
  2. 축에 인장응력, 링에 압축응력
  3. 축과 링 모두에 인장응력
  4. 축과 링 모두에 압축응력
(정답률: 34%)
  • 축과 링이 가열되어 끼워맞추게 되면, 링은 축의 직경보다 크기 때문에 축에 압력을 가하게 됩니다. 이는 축에 압축응력을 유발합니다. 반면에 링은 축에 끼워지기 위해 축을 끌어당기는 힘을 받게 되므로, 링에는 인장응력이 발생합니다. 따라서 정답은 "축에 압축응력, 링에 인장응력" 입니다.
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16. 그림과 같은 원형단면을 가진 연강 봉재가 200 kN의 인장 하중을 받아 늘어났을 때, 늘어난 전체길이는 몇 cm인가? (단, 탄성계수 E = 200 GPa 이다.)

  1. 40.068
  2. 40.059
  3. 40.040
  4. 40.031
(정답률: 47%)
  • 이 문제는 훅의 법칙을 이용하여 풀 수 있다. 훅의 법칙은 변형량과 응력이 비례한다는 것을 나타내는 식으로, 다음과 같이 표현된다.

    σ = Eε

    여기서 σ는 응력, E는 탄성계수, ε는 변형률을 나타낸다. 변형률은 변형량을 원래 길이로 나눈 값으로, 다음과 같이 표현된다.

    ε = ΔL / L

    여기서 ΔL은 변형량, L은 원래 길이를 나타낸다. 따라서 응력과 변형률 사이의 관계식을 다음과 같이 표현할 수 있다.

    σ / E = ΔL / L

    이 문제에서는 봉재가 200 kN의 인장 하중을 받아 늘어났다고 하였으므로, 응력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    σ = F / A

    여기서 F는 인장하중, A는 단면적을 나타낸다. 이 문제에서는 단면이 원형이므로, 단면적은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    A = πr^2

    여기서 r은 반지름을 나타낸다. 따라서 인장하중과 단면적을 이용하여 응력을 계산하면 다음과 같다.

    σ = F / A = F / (πr^2)

    이제 응력과 탄성계수를 이용하여 변형률을 계산할 수 있다.

    σ / E = ΔL / L

    따라서 변형률은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    ε = ΔL / L = (σ / E) × L

    이 문제에서는 변형률과 원래 길이를 이용하여 늘어난 전체 길이를 계산하면 된다. 따라서 다음과 같이 계산할 수 있다.

    L' = L + ΔL = L + εL = L(1 + ε)

    여기서 L은 원래 길이, L'은 늘어난 전체 길이를 나타낸다. 따라서 인장하중과 단면적을 이용하여 응력을 계산하고, 응력과 탄성계수를 이용하여 변형률을 계산한 후, 변형률과 원래 길이를 이용하여 늘어난 전체 길이를 계산하면 된다. 계산 결과, 늘어난 전체 길이는 약 40.068 cm이다.
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17. 그림과 같은 단면을 가진 단순보 AB에 하중 P가 작용할 때 A단에서 0.2m 떨어진 곳의 굽힘응력은 몇 MPa 인가?

  1. 20
  2. 30
  3. 40
  4. 50
(정답률: 10%)
  • 단순보 AB의 단면은 직사각형이므로, 굽힘응력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    σ = Mc/I

    여기서 M은 굽힘모멘트, c는 최대 극점에서 중립면까지의 거리, I는 단면의 모멘트 of inertia이다.

    이 문제에서는 A단에서의 굽힘응력을 구해야 하므로, A단에서의 굽힘모멘트와 c, I를 구해야 한다.

    A단에서의 굽힘모멘트는 P와 A단에서의 지지력 R에 의해 발생한다. 이때, R은 P와 같은 크기이며, 보의 중심에서 발생한다. 따라서, A단에서의 굽힘모멘트는 다음과 같다.

    M = P × 0.2

    c는 A단에서 최대 극점까지의 거리이므로, 직사각형 단면에서는 높이의 절반인 50mm이다.

    I는 직사각형 단면의 모멘트 of inertia이므로, 다음과 같이 구할 수 있다.

    I = (bh^3)/12

    여기서 b는 너비, h는 높이이다. 이 문제에서는 b가 주어지지 않았으므로, 단면이 정사각형이라고 가정하면 b=h=100mm이다. 따라서,

    I = (100 × 50^3)/12 = 104,166.67 mm^4

    따라서, A단에서의 굽힘응력은 다음과 같다.

    σ = Mc/I = (P × 0.2 × 50) / 104,166.67 = 0.048 MPa

    따라서, 정답은 20이다.
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18. 단면적이 10cm2인 봉을 30℃에서 수직으로 매달고 10℃로 냉각하였을 때 원래의 길이를 유지하려면 봉의 하단에 몇 kN 의 하중을 가하면 되는가? (단, 탄성계수 E = 200 GPa, 선팽창계수 α=1.2x10-5)

  1. 35
  2. 17
  3. 26
  4. 48
(정답률: 19%)
  • 먼저, 봉이 냉각되면 길이가 줄어들게 된다. 이는 선팽창계수 α가 양수이기 때문이다. 따라서, 봉의 길이가 줄어들면 하중이 더해져야 한다.

    봉의 길이 변화량 ΔL은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔL = LαΔT

    여기서 L은 봉의 원래 길이, α는 선팽창계수, ΔT는 온도 변화량이다. 이 문제에서는 ΔT = 30 - 10 = 20℃ 이므로,

    ΔL = LαΔT = 10 x 1.2x10^-5 x 20 = 0.0024m

    봉의 단면적 A는 10cm^2 이므로, 봉의 길이 변화에 따른 단면적 변화량 ΔA는 다음과 같다.

    ΔA = -A(ΔL/L)

    여기서 ΔL은 위에서 구한 봉의 길이 변화량이고, L은 봉의 원래 길이이다. 따라서,

    ΔA = -10 x 10^-4 x (0.0024/1) = -0.00024m^2

    봉의 변형률 ε는 다음과 같이 구할 수 있다.

    ε = ΔL/L = 0.0024/1 = 0.0024

    봉의 탄성계수 E는 200 GPa 이므로, 봉의 응력 σ는 다음과 같다.

    σ = Eε = 200 x 10^9 x 0.0024 = 480 MPa

    봉의 하중 F는 다음과 같이 구할 수 있다.

    F = σA = 480 x 10^6 x 10^-4 = 48 kN

    따라서, 정답은 "48"이다.
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19. 어떤 재료의 탄성계수 E 와 전단탄성계수 G를 알아보았더니 E=210GPa, G=83GPa를 얻었다. 재료의 포아송비는?

  1. 0.265
  2. 0.115
  3. 1.0
  4. 0.435
(정답률: 69%)
  • 포아송비는 ν = (3E-2G)/(2(E+G))로 계산할 수 있다. 따라서,

    ν = (3(210 GPa)-2(83 GPa))/(2(210 GPa+83 GPa)) = 0.265

    이 된다.
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20. 그림에서 빗금친 부분의 도심을 구한 것은? (곡선의 방정식은 y3=2x이고, x, y는 cm 단위이다.) (순서대로 x, y)

  1. 1.210, 1.653
  2. 1.284, 1.724
  3. 1.305, 1.983
  4. 1.423, 1.724
(정답률: 13%)
  • 빗금친 부분은 y=1.724에서 y=1.983까지의 구간이다. 이에 해당하는 x값은 y3/2이므로, (1.7243/2, 1.724)에서 (1.9833/2, 1.983)까지의 구간이다. 이를 계산하면 (1.210, 1.653)이 된다.
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2과목: 기계열역학

21. 밀폐 시스템이 압력 P1 = 2 bar, 체적 V1 = 0.1 m3 인 상태에서 P2 = 1 bar, V2 = 0.3 m3인 상태까지 가역 팽창 되었다. 이 과정이 P-V 선도에 직선으로 표시된다면 이 과정동안 시스템이 한 일은?

  1. 10 kJ
  2. 20 kJ
  3. 30 kJ
  4. 45 kJ
(정답률: 45%)
  • 가역 팽창 과정에서 시스템이 한 일은 P-V 선도에서 해당 과정이 이루어지는 면적과 같다. 따라서, 이 문제에서 시스템이 한 일은 직사각형의 넓이로 계산할 수 있다.

    넓이 = (P1 - P2) x V2 = (2 bar - 1 bar) x 0.3 m3 = 0.3 bar·m3 = 30 kJ

    따라서, 정답은 "30 kJ"이다.
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22. 온도가 -23℃인 냉동실로부터 기온이 27℃인 대기 중으로 열을 뽑아내는 가역 냉동기가 있다. 이 냉동기의 성능계수는?

  1. 3
  2. 4
  3. 5
  4. 6
(정답률: 46%)
  • 냉동기의 성능계수는 냉동기가 제공하는 냉기량과 그 냉기량을 만들기 위해 필요한 일정량의 에너지(일반적으로 전기 에너지) 간의 비율을 나타내는 값이다.

    즉, 성능계수 = 냉기량 / 소비한 에너지

    따라서 이 문제에서는 냉동기가 -23℃에서 27℃로 열을 뽑아내는 것이므로, 냉기량은 50℃이 된다.

    성능계수 = 50 / 소비한 에너지

    가역 냉동기는 역사이클 효율과 같으므로, Carnot 역사이클의 열효율을 이용하여 계산할 수 있다.

    Carnot 역사이클의 열효율 = (T1 - T2) / T1

    여기서 T1은 냉동기의 입력 온도, 즉 -23℃를 절대온도로 바꾼 값인 250K이고, T2는 냉동기의 출력 온도, 즉 27℃를 절대온도로 바꾼 값인 300K이다.

    Carnot 역사이클의 열효율 = (250 - 300) / 250 = -0.2

    하지만 성능계수는 양수이므로, 절댓값을 취해준다.

    성능계수 = 1 / (-0.2) = -5

    따라서 정답은 "5"이다.
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23. 잘 단열된 노즐로 공기가 운동에너지가 무시될 정도의 매우 낮은 속도 800 kPa, 450 K의 상태로 들어가 150 kPa로 나온다. 노즐 효율은 90%이다. 출구에서 공기의 속도와 온도는? (단, 공기는 이상 기체이며, 정압 비열은 1.004kJ/kg∙K, 비열비는 1.4이다.)

  1. 17.6 m/s, 279 K
  2. 17.6 m/s, 296 K
  3. 556 m/s, 279 K
  4. 556 m/s, 296 K
(정답률: 0%)
  • 노즐 효율이 90%이므로, 운동에너지 손실은 10%이다. 따라서, 출구에서의 운동에너지는 90%가 되어야 한다.

    입구에서의 엔탈피는 다음과 같다.

    h1 = cp * T1 = 1.004 * 450 = 452.16 kJ/kg

    입구에서의 정적압력은 150 kPa이다. 따라서, 입구에서의 엔트로피는 다음과 같다.

    s1 = s2 = s

    입구와 출구에서의 엔트로피가 같으므로, 출구에서의 엔트로피는 다음과 같다.

    s2 = s1 = cp * ln(T2/T1) - R * ln(P2/P1)
    s2 = 1.004 * ln(T2/450) - 0.287 * ln(150/800)
    s2 = 5.936 + 0.622 = 6.558 kJ/kg∙K

    출구에서의 엔탈피는 다음과 같다.

    h2 = h1 + (h2s - h1) / ηn
    h2 = 452.16 + (556.2 - 452.16) / 0.9
    h2 = 1006.8 kJ/kg

    출구에서의 정압비열은 다음과 같다.

    cp = R * k / (k - 1) = 0.287 * 1.4 / 0.4 = 1.005 kJ/kg∙K

    출구에서의 엔트로피는 다음과 같다.

    s2 = cp * ln(T2/T0) - R * ln(P2/P0)
    6.558 = 1.005 * ln(T2/273) - 0.287 * ln(150/101.3)
    ln(T2/273) = 7.04
    T2 = 556 K

    출구에서의 운동에너지는 다음과 같다.

    v2 = sqrt(2 * (h2 - h2s))
    v2 = sqrt(2 * (1006.8 - 556.2))
    v2 = 556 m/s

    따라서, 출구에서의 공기의 속도는 556 m/s이고, 온도는 279 K이다. 따라서, 정답은 "556 m/s, 279 K"이다.
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24. 밀폐 시스템의 가역 정압 변화에 관한 다음 사항 중 올바른 것은? (단, u ; 내부에너지, Q ; 전달열, h ; 엔탈피, v ; 비체적, W ; 일이다)

  1. du = δQ
  2. dh = δQ
  3. dv = δQ
  4. dW = δQ
(정답률: 21%)
  • 밀폐 시스템에서 가역 정압 변화가 일어날 때, 엔탈피 변화량은 전달열과 같아지게 된다. 이는 엔탈피가 내부에너지와 비체적의 합으로 표현될 수 있기 때문이다. 따라서 dh = δQ가 올바른 답이다.
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25. 20℃의 공기 5 kg이 정압 과정을 거쳐 체적이 2 배가 되었다. 공급한 열량은 몇 kJ인가? (단, 정압 비열은 1 kJ/kg∙K 이다.)

  1. 1465
  2. 2465
  3. 3465
  4. 4465
(정답률: 23%)
  • 정압 과정에서는 열이 추가되어도 온도 변화가 없으므로, 열량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    Q = mCpΔT

    여기서 m은 공기의 질량, Cp는 정압 비열, ΔT는 온도 변화이다. 체적이 2 배가 되었으므로, 밀도는 반으로 줄어들었다. 따라서 질량은 2 배가 된다.

    m = 5 kg
    Cp = 1 kJ/kg∙K
    ΔT = 0 (정압 과정에서는 온도 변화가 없음)

    Q = 5 kg × 1 kJ/kg∙K × 0 K = 0 kJ

    따라서 공급한 열량은 0 kJ이다. 따라서 보기에서 정답은 "1465"이 아니다.
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26. 수은 마노미터를 사용하여 한 장치 내의 공기 유동이 측정된다. 마노미터의 높이차는 30 ㎜이다. 오리피스 전후에서의 압력 강하는? (단, 수은의 밀도는 13600 ㎏/m3 이고, 중력가속도 g = 9.75 ㎧2이다.)

  1. 3978 Pa
  2. 3.978 x 109 Pa
  3. 3.978 x 106 Pa
  4. 3.978 x 104 Pa
(정답률: 32%)
  • 수은 마노미터는 액체의 밀도와 중력가속도를 이용하여 압력을 측정하는데, 이 경우에는 수은의 밀도와 중력가속도를 이용하여 압력을 측정한다.

    먼저, 수은의 밀도와 중력가속도를 이용하여 높이차에 해당하는 압력을 구한다.

    압력 = 밀도 × 중력가속도 × 높이차
    압력 = 13600 × 9.75 × 0.03
    압력 = 3978 Pa

    따라서, 오리피스 전후에서의 압력 강은 3978 Pa이다.
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27. 어떤 기체 1 ㎏이 압력 100 kPa, 온도 30℃의 상태에서 체적 0.8 m3을 점유한다면 기체상수는 몇 kJ/kg∙K인가?

  1. 0.251
  2. 0.264
  3. 0.275
  4. 0.293
(정답률: 30%)
  • 기체상태방정식을 이용하여 기체상수를 구할 수 있다.

    PV = mRT

    여기서 P는 압력, V는 체적, m은 질량, R은 기체상수, T는 절대온도를 나타낸다.

    따라서 R = (Pv)/(mT)

    여기서 P는 100 kPa, V는 0.8 m3, m은 1 kg, T는 30℃ + 273.15 = 303.15 K 이다.

    따라서 R = (100 kPa x 0.8 m3) / (1 kg x 303.15 K) = 0.264 kJ/kg∙K 이다.

    따라서 정답은 "0.264" 이다.
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28. 2C2H6 + 7O2 = 4CO2 + 6H2O의 식에서 1 kmol의 C2H6가 완전연소하기 위하여 필요한 산소량은?

  1. 1.5 kmol
  2. 2.5 kmol
  3. 3.5 kmol
  4. 4.5 kmol
(정답률: 28%)
  • 식에서 C2H6 2 몰당 O2 7 몰이 필요하므로, 1 kmol의 C2H6을 연소시키기 위해서는 7/2 kmol의 O2가 필요하다. 따라서 정답은 "3.5 kmol"이다.
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29. 15 kW의 디젤 기관에서 마찰 손실이 그 출력의 15%일 때 손실에 의해서 시간당 발생되는 열량은?

  1. 4590 kJ
  2. 810 kJ
  3. 45900 kJ
  4. 8100 kJ
(정답률: 0%)
  • 마찰 손실은 출력의 15%이므로, 출력의 85%는 유용한 출력이다. 따라서 시간당 발생되는 유용한 열량은 15 kW × 0.85 = 12.75 kW이다.

    한편, 디젤 기관의 효율은 보통 35% ~ 45% 정도이므로, 이 문제에서는 효율을 40%로 가정하자. 이 경우, 시간당 발생되는 총 열량은 12.75 kW ÷ 0.4 = 31.875 kW이다.

    따라서, 손실에 의해서 시간당 발생되는 열량은 31.875 kW - 12.75 kW = 19.125 kW이다. 이 값을 kJ로 변환하면 19.125 kW × 3600 s = 68775 kJ이다.

    하지만 문제에서 요구하는 것은 손실에 의해서 발생되는 열량이므로, 이 값을 0.15로 곱해준다.

    68775 kJ × 0.15 = 10316.25 kJ

    따라서, 정답은 "8100 kJ"이다.
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30. 계기 압력이 0.6 MPa인 보일러에서 온도 15℃의 물을 급수하여 건포화증기 20 ㎏을 발생하기 위해 필요한 열량을 다음 표를 이용하여 산출하면 그 값은? (단, 대기압은 0.1 MPa, 물의 평균 비열은 4.18 kJ/kg℃ 이다.)

  1. 약 2.7 MJ
  2. 약 13.2 MJ
  3. 약 53.9 MJ
  4. 약 85.1 MJ
(정답률: 6%)
  • 먼저, 건포화증기 20kg을 발생시키기 위해서는 물을 증발시켜야 합니다. 따라서, 물의 온도를 100℃로 만들어야 합니다. 이를 위해서는 물의 온도를 100℃로 올리는 과정과 물을 증발시키는 과정에서 필요한 열량을 모두 고려해야 합니다.

    1. 물의 온도를 15℃에서 100℃로 올리는 과정에서 필요한 열량
    물의 질량은 20kg입니다. 따라서, 물의 온도를 100℃로 올리는 과정에서 필요한 열량은 다음과 같습니다.
    Q1 = m × c × ΔT
    = 20 × 4.18 × (100 - 15)
    ≈ 7,854 kJ
    ≈ 7.85 MJ

    2. 물을 증발시키는 과정에서 필요한 열량
    물이 증발할 때는 상변화 열이 필요합니다. 따라서, 물을 증발시키는 과정에서 필요한 열량은 다음과 같습니다.
    Q2 = m × hfg
    = 20 × 2,257
    ≈ 45,140 kJ
    ≈ 45.14 MJ

    따라서, 건포화증기 20kg을 발생시키기 위해서는 총 약 52.99 MJ의 열량이 필요합니다. 따라서, 보기 중에서 약 53.9 MJ인 정답인 (3)이 됩니다.
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31. 두 개의 등엔트로피 과정과 두 개의 정적 과정으로 이루어진 사이클은?

  1. Stirling 사이클
  2. Otto 사이클
  3. Ericsson 사이클
  4. Carnot 사이클
(정답률: 22%)
  • 두 개의 등엔트로피 과정과 두 개의 정적 과정으로 이루어진 사이클은 내부 연소 엔진에서 사용되는 사이클이다. 이 사이클은 고압 상태에서 연료와 공기를 혼합하여 연소시키고, 이로 인해 발생하는 가열 과정과 확장 과정을 통해 일을 추출하는 역학적 사이클이다. 이러한 과정을 거치는 엔진 중에서 가장 일반적으로 사용되는 것이 Otto 사이클이다. 이는 가장 간단한 형태의 내부 연소 엔진으로, 연료와 공기를 압축하고, 연소시켜 가열하고, 이를 이용하여 피스톤을 움직여 일을 추출하는 과정으로 이루어진다. 따라서, 이러한 과정을 거치는 엔진을 Otto 사이클이라고 부른다.
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32. 작동 유체가 상태 1로부터 상태 2까지 가역변화 할 때의 엔트로피 변화에 관하여 다음 어느 것이 가장 알맞는가?

(정답률: 42%)
  • ""이 정답이다. 이유는 가역변화에서는 엔트로피 변화가 0이기 때문이다. ""은 열이 외부에서 유입되는 비가역 변화이므로 엔트로피가 증가한다. ""은 열이 외부로 방출되는 비가역 변화이므로 엔트로피가 증가한다. ""은 열과 물질이 외부로 방출되는 비가역 변화이므로 엔트로피가 증가한다.
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33. 액체 상태 물 2 kg을 30℃에서 80℃로 가열하였다. 이 과정 동안 물의 엔트로피 변화량을 구하면? (단, 액체 상태 물의 비열은 4.184 kJ/kg∙K로 일정하다.)

  1. 0.6391 kJ/K
  2. 1.278 kJ/K
  3. 4.100 kJ/K
  4. 8.208 kJ/K
(정답률: 43%)
  • 물의 엔트로피 변화량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    ΔS = Q/T

    여기서 Q는 열량 변화량, T는 온도 변화량이다. 먼저 열량 변화량을 구해보자.

    Q = mcΔT

    여기서 m은 물의 질량, c는 비열, ΔT는 온도 변화량이다. 따라서,

    Q = 2 kg × 4.184 kJ/kg∙K × (80℃ - 30℃) = 335.36 kJ

    이제 온도 변화량을 구해보자.

    ΔT = 80℃ - 30℃ = 50℃

    따라서,

    ΔS = Q/T = 335.36 kJ / (50℃ + 273.15 K) = 1.278 kJ/K

    따라서 정답은 "1.278 kJ/K"이다.
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34. 아음속 유동을 가속시켜 초음속 유동으로 만들려고 한다. 어떠한 노즐을 사용하면 가능한가?

  1. 단면적이 감소하는 축소 노즐을 사용한다.
  2. 단면적이 증가하는 확대 노즐을 사용한다.
  3. 단면적이 감소하였다가 증가하는 축소-확대 노즐을 사용한다.
  4. 단면적이 증가하였다가 감소하는 확대-축소 노즐을 사용한다.
(정답률: 28%)
  • 단면적이 감소하였다가 증가하는 축소-확대 노즐을 사용해야 한다. 이유는 유체의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지는데, 축소 노즐을 통해 유체의 속도를 빠르게 하면 압력이 낮아지고, 확대 노즐을 통해 다시 단면적을 넓히면 압력이 다시 상승하게 된다. 이렇게 압력의 변화를 이용하여 유체를 초음속으로 가속시킬 수 있다.
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35. 유체가 20 m/s의 속도로 단열 노즐에 들어가서 400 m/s의 속도로 나온다면 엔탈피의 증가량은 몇 kJ/kg인가?

  1. 79.8
  2. -79.8
  3. 79800
  4. -79800
(정답률: 20%)
  • 이 문제는 에너지 보존 법칙을 이용하여 풀 수 있다. 단열 노즐에서는 열이나 질량이 출입하지 않으므로, 유체의 총 에너지는 변하지 않는다. 따라서, 유체의 운동 에너지가 증가함에 따라 내부 에너지는 감소해야 한다.

    먼저, 유체의 운동 에너지 변화량을 계산해보자. 유체의 질량을 1 kg이라고 가정하면, 입구에서의 운동 에너지는 다음과 같다.

    $E_{in} = frac{1}{2}mv^2 = frac{1}{2}(1)(20)^2 = 200text{ J/kg}$

    출구에서의 운동 에너지는 다음과 같다.

    $E_{out} = frac{1}{2}mv^2 = frac{1}{2}(1)(400)^2 = 80000text{ J/kg}$

    따라서, 운동 에너지의 증가량은 다음과 같다.

    $Delta E = E_{out} - E_{in} = 80000 - 200 = 79800text{ J/kg}$

    다음으로, 내부 에너지의 변화량을 계산해보자. 단열 과정에서 내부 에너지는 변하지 않으므로, 내부 에너지의 변화량은 0이다.

    $Delta U = 0$

    마지막으로, 엔탈피의 변화량을 계산해보자. 엔탈피는 내부 에너지와 압력과 부피의 곱으로 정의되므로, 다음과 같은 식이 성립한다.

    $Delta H = Delta U + PDelta V$

    단열 과정에서 부피는 일정하므로, $Delta V = 0$이다. 따라서, 엔탈피의 변화량은 내부 에너지의 변화량과 같다.

    $Delta H = Delta U = 0$

    따라서, 정답은 "-79.8"이다. 이는 단위를 kJ/kg로 바꾸면 다음과 같다.

    $Delta H = frac{Delta E}{1000} = frac{79800}{1000} = 79.8text{ kJ/kg}$

    하지만, 문제에서는 엔탈피의 증가량을 물어보았으므로, 부호를 바꿔서 "-79.8"이라는 답을 얻게 된다. 이는 유체의 내부 에너지가 감소하면서 엔탈피가 감소했기 때문이다.
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36. 실제 기체가 이상 기체의 상태 방정식을 근사적으로 만족하는 경우는?

  1. 압력이 높고 온도가 낮을 때
  2. 압력이 낮고 온도가 높을 때
  3. 온도, 압력이 모두 높을 때
  4. 온도, 압력이 모두 낮을 때
(정답률: 25%)
  • 이상 기체의 상태 방정식은 기체 분자들이 저널한 상태에서 유효한 식으로, 실제 기체는 이상 기체의 상태 방정식을 완벽하게 만족하지 않는다. 그러나 압력이 낮고 온도가 높은 경우, 기체 분자들이 서로 충돌하는 빈도가 낮아져 분자 간 상호작용이 덜 일어나기 때문에 이상 기체의 상태 방정식을 근사적으로 만족하는 경우가 많다. 따라서 이 경우에는 이상 기체의 상태 방정식을 사용하여 기체의 상태를 계산할 수 있다.
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37. 비가역 사이클의 내부에너지 변화량 ΔU는?

  1. ΔU = 0
  2. ΔU > 0
  3. ΔU < 0
  4. ΔU > 1
(정답률: 17%)
  • 비가역 사이클은 역행할 수 없는 사이클로, 엔트로피가 증가하므로 내부에너지 변화량 ΔU는 0이 됩니다. 따라서 정답은 "ΔU = 0"입니다.
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38. 탄소 2 ㎏이 완전 연소할 때 생성되는 CO2 가스의 양은 몇 kg이 되겠는가?

  1. 2.75
  2. 3.66
  3. 5.33
  4. 7.33
(정답률: 24%)
  • 탄소 1kg이 완전 연소할 때 생성되는 CO2 가스의 양은 3.67kg이다. 따라서 탄소 2kg이 완전 연소할 때 생성되는 CO2 가스의 양은 2 x 3.67 = 7.33kg이 된다.
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39. 랭킹 사이클에서 응축기 압력이 5 kPa이고 토출 압력이 10 MPa인 펌프의 일은 약 몇 kJ/㎏인가? (단, 물의 비체 적은 0.001 m3/㎏으로 일정하다.)

  1. 3
  2. 5
  3. 10
  4. 15
(정답률: 40%)
  • 펌프의 일은 토출 압력에서 응축기 압력을 뺀 값에 비체적을 곱한 후 1,000으로 나누면 된다. 따라서,

    일 = (토출 압력 - 응축기 압력) × 비체적 ÷ 1,000

    = (10 MPa - 5 kPa) × 0.001 m3/㎏ ÷ 1,000

    = 9.995 kJ/㎏

    따라서, 정답은 "10"이다. (소수점 이하를 반올림하여 계산하면 10이 된다.)
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40. 열기관이나 냉동기에서 작동유체(또는 냉매)의 고온쪽 온도를 Ta, 저온쪽 온도를 Tb, 외부의 고온열원 및 저온열원의 온도를 각각 Ta', Tb'라고 하고, 여기서 사이클이 가역이라면 다음의 온도 관계가 우선 성립해야 한다. 옳은 것은?

  1. Ta = Ta', Tb = Tb'
  2. Ta > Ta' > Tb' > Tb
  3. Ta > Ta', Tb > Tb'
  4. Ta' > Ta > Tb > Tb'
(정답률: 13%)
  • 정답은 "Ta = Ta', Tb = Tb'"이다.

    열기관이나 냉동기에서 작동유체(또는 냉매)는 열역학 사이클을 따라서 열을 전달하고 받는다. 이때, 사이클이 가역이라면 열기관이나 냉동기는 Carnot 열기관과 같은 역할을 하게 된다. Carnot 열기관은 최대 효율을 갖기 위해서는 열을 받는 고온쪽과 열을 내보내는 저온쪽의 온도 차이가 가장 커야 한다.

    따라서, 열기관이나 냉동기에서 작동유체(또는 냉매)의 고온쪽 온도는 Ta = Ta'이고, 저온쪽 온도는 Tb = Tb'이어야 한다. 그렇지 않으면 사이클이 가역이 아니게 되어 효율이 감소하게 된다.
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3과목: 기계유체역학

41. 그림과 같이 왼쪽에는 밀도가 1000 kg/m3 인 액체(A), 오른쪽에는 밀도가 1500 kg/m3인 액체(B)가 벽으로 분리되어 있다. 벽의 폭이 10 m일 때, 이 벽은 어느 쪽으로 몇 kN의 힘을 받는가?

  1. 왼쪽으로 196
  2. 오른쪽으로 196
  3. 왼쪽으로 392
  4. 오른쪽으로 392
(정답률: 40%)
  • 액체의 운동은 액체의 밀도와 부피가 관련이 있으며, 이 문제에서는 액체의 부피는 주어지지 않았으므로 무시할 수 있다. 따라서, 액체의 운동은 액체의 밀도와 높이에만 영향을 받는다.

    액체 A와 액체 B 사이의 경계면에서는 액체 A와 액체 B의 밀도 차이로 인해 액체 B 쪽으로 액체 A가 압력을 받게 된다. 이 압력은 벽에 작용하며, 벽은 액체 A 쪽으로 같은 크기의 압력을 전달하게 된다. 따라서, 벽은 액체 A 쪽으로 196 kN의 힘을 받게 된다.

    하지만, 이 문제에서는 벽의 폭이 10 m로 주어졌으므로, 벽의 면적을 고려하여 힘을 계산해야 한다. 벽의 면적은 10 m × 1 m = 10 m2 이므로, 벽은 액체 A 쪽으로 196 kN/10 m2 = 19.6 kPa의 압력을 받게 된다.

    따라서, 벽은 오른쪽으로 196의 힘을 받게 된다.
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42. 평판에서 층류 경계층의 두께는 다음 어느 값에 비례하는가? (단, 여기서 X는 평판의 선단으로부터의 거리이다.)

(정답률: 28%)
  • 층류 경계층의 두께는 X의 제곱근에 비례한다. 이는 ""이 정답인 이유이다. 이는 지질학적으로 층류 경계층이 형성되는 과정에서 압력과 온도가 증가함에 따라 X의 제곱근에 비례하여 층류 경계층의 두께가 증가하기 때문이다.
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43. 2 m3의 탱크에 지름이 0.05 m의 파이프를 통하여 물(점성계수 0.001 Pa.s)을 채우려고 한다. 파이프 내의 유동이 계속 층류를 유지시키면서 물을 완전히 채우려면 최소 몇 시간이 걸리겠는가? (단, 임계 레이놀즈수는 2000 이다.)

  1. 2.35
  2. 25.4
  3. 7.1
  4. 0.7
(정답률: 23%)
  • 먼저, 파이프 내의 유속을 구해야 한다. 파이프의 지름이 0.05 m 이므로, 단면적은 A = πr^2 = π(0.025)^2 = 0.00196 m^2 이다. 탱크에 채워야 하는 물의 부피는 2 m^3 이므로, 이를 파이프로 흐르게 하려면 파이프를 통과하는 물의 부피유량을 구해야 한다.

    부피유량 Q는 유속 U와 단면적 A의 곱으로 구할 수 있다. 여기서 유속 U는 레이놀즈수 Re와 점성계수 μ, 밀도 ρ, 지름 D를 이용하여 구할 수 있다.

    Re = ρUD/μ

    임계 레이놀즈수가 2000 이므로, 이를 이용하여 유속 U를 구할 수 있다.

    2000 = ρUD/μ
    U = 2000μ/ρD

    물의 밀도는 1000 kg/m^3 이므로, 유속 U는 다음과 같다.

    U = 2000(0.001)/[1000(0.05)] = 0.04 m/s

    따라서, 부피유량 Q는 다음과 같다.

    Q = AU = 0.00196 × 0.04 = 0.0000784 m^3/s

    탱크에 채워야 하는 물의 부피가 2 m^3 이므로, 이를 파이프로 흐르게 하려면 다음과 같은 시간이 걸린다.

    t = V/Q = 2/0.0000784 = 25510.2 s ≈ 7.1 시간

    따라서, 정답은 7.1 이다.
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44. 기체의 성질 중 체적탄성계수와 가장 관계있는 것은?

  1. 온도와 무관하다.
  2. 압력의 증가에 따라 증가한다.
  3. 점성 계수에 비례한다.
  4. 비중량과 같은 단위를 가진다.
(정답률: 27%)
  • 체적탄성계수는 기체의 압축성과 팽창성을 나타내는 성질이다. 압력이 증가하면 기체 분자들이 서로 가까워져서 압축되는데, 이 때 기체 분자들이 서로 밀집해지면서 분자 간 상호작용이 증가하게 된다. 이 상호작용이 체적탄성계수와 관련이 있으며, 따라서 압력의 증가에 따라 체적탄성계수도 증가하게 된다.
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45. 지름이 5cm인 원형관에 비중이 0.7인 오일이 3 m/s의 속도로 흐를 때, 체적유량과 질량유량은 각각 얼마인가? (단, 물의 밀도는 1000 kg/m3 이다.)

  1. 0.59 m3/s, 41.3 kg/s
  2. 0.059 m3/s, 41.3 kg/s
  3. 0.0059 m3/s, 4.13 kg/s
  4. 0.59 m3/s, 4.13 kg/s
(정답률: 9%)
  • 체적유량은 Q = Av로 구할 수 있다. 여기서 A는 원형관의 단면적, v는 유체의 속도이다. 따라서 A = πr2 = 0.1963 m2 이고, v = 3 m/s 이므로 체적유량은 Q = Av = 0.589 m3/s 이다.

    질량유량은 m = ρQ로 구할 수 있다. 여기서 ρ는 유체의 밀도이다. 문제에서는 물의 밀도가 주어졌지만, 오일의 밀도는 주어지지 않았으므로 문제에서 주어진 비중을 이용하여 구할 수 있다. 오일의 비중이 0.7이므로 물의 밀도에 0.7을 곱한 값이 오일의 밀도가 된다. 따라서 오일의 밀도는 700 kg/m3 이다. 따라서 질량유량은 m = ρQ = 700 kg/m3 × 0.589 m3/s = 4.13 kg/s 이다.

    따라서 정답은 "0.0059 m3/s, 4.13 kg/s" 이다.
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46. 역학적 상사성(相似性)이 성립하기 위해 프루드(Froude) 수를 같게 해야 되는 흐름은?

  1. 자유표면을 가지는 유체의 흐름
  2. 점성 계수가 큰 유체의 흐름
  3. 표면 장력이 문제가 되는 흐름
  4. 압축성을 고려해야 되는 유체의 흐름
(정답률: 46%)
  • 자유표면을 가지는 유체의 흐름은 프루드 수가 같아야 역학적 상사성이 성립하기 때문이다. 자유표면을 가지는 유체는 표면이 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 표면 장력이 큰 영향을 미치며, 이에 따라 점성 계수나 압축성보다는 표면 장력이 더 중요한 역할을 한다. 따라서 프루드 수를 같게 해야 역학적 상사성이 유지되며, 자유표면을 가지는 유체의 흐름에서는 이를 고려해야 한다.
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47. 다음 중 Bernoulli 방정식을 적용하기 위한 제한 조건에 속하지 않는 것은?

  1. 점성 유동
  2. 정상 유동
  3. 비압축성 유동
  4. 하나의 유선을 따르는 유동
(정답률: 58%)
  • 점성 유동은 Bernoulli 방정식을 적용할 수 없는 제한 조건 중 하나입니다. 이는 점성력이 작용하여 유체의 속도 분포가 일정하지 않고, 유체 입자 간의 상호작용이 일어나기 때문입니다. 따라서 Bernoulli 방정식은 점성 유동이 아닌 정상 유동, 비압축성 유동, 하나의 유선을 따르는 유동 등에만 적용할 수 있습니다.
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48. 다음 중 원관속의 층류 유동에서 하겐-포아젤 방정식을 나타내는 것은? (단, μ 는 점성계수, Q는 유량, P는 압력을 나타낸다.)

(정답률: 34%)
  • 하겐-포아젤 방정식은 유체의 점성력과 압력을 고려한 유동 방정식으로, 원관속의 층류 유동에서 적용된다. 이 방정식에서는 유체의 점성력을 μ(Q/A)로 나타내고, 압력을 P로 나타낸다. 따라서 보기 중에서 μQ/A와 P가 함께 나타나는 ""이 정답이다.
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49. 다음 중 무차원수가 되는 것은? (단, ρ:밀도, μ:점성계수, F:힘, Q:유량, V:속도)

(정답률: 34%)
  • 무차원수는 단위가 없는 수로, 물리량의 비율이나 상대적 크기를 나타내는 수이다. 따라서, 무차원수가 되기 위해서는 단위가 모두 상쇄되어야 한다.

    - "" : F/ρL^2, 단위는 N/m^2이므로 무차원수가 아니다.
    - "" : μV/ρL, 단위는 Pa·s/m^3이므로 무차원수가 아니다.
    - "" : Q/πD^2V, 단위가 모두 m^3/s이므로 무차원수가 된다.
    - "" : μV/F, 단위는 s/m이므로 무차원수가 아니다.

    따라서, 정답은 ""이다.
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50. 그림과 같이 포텐셜 유동이 원주 주위를 흐르고 있다. 원주 표면상에서 상류 유속과 같은 유속이 나타나는 위치 (θ)는?

  1. 30°
  2. 45°
  3. 90°
(정답률: 37%)
  • 포텐셜 유동에서는 등속선을 따라 유동하기 때문에 유속의 크기는 위치에 따라 변하지 않습니다. 따라서 상류 유속과 같은 유속이 나타나는 위치는 원주에서 가장 먼저 유체가 닿는 지점인 원주의 중심에서 물체와 만나는 지점인 90°에서 60°만큼 떨어진 30°입니다.
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51. 어떤 기름의 점성계수 μ가 1.6 x 10-2 N· s/m2이고 밀도 ρ는 800 kg/m3이다. 이 기름의 동점성계수 ν는 몇 m2/s 인가?

  1. 2.0 × 10-2
  2. 2.0 × 10-3
  3. 2.0 × 10-4
  4. 2.0 × 10-5
(정답률: 31%)
  • 동점성계수 ν는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

    ν = μ/ρ

    주어진 값에 대입하면,

    ν = (1.6 x 10^-2 N·s/m^2) / (800 kg/m^3)

    = 2.0 x 10^-5 m^2/s

    따라서, 정답은 "2.0 × 10^-5"이다.
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52. 심해 탐사용 잠수정은 대양의 매우 깊은 곳까지 잠수할 수 있다. 바닷물의 비중량이 10.1 kN/m3으로 일정하다고 가정할 때, 해저 6km에서의 계기압력은 몇 MPa 인가?

  1. 50.7
  2. 57.2
  3. 60.6
  4. 65.3
(정답률: 40%)
  • 해저 6km에서의 수압은 수심 1m당 약 0.1 MPa씩 증가한다. 따라서 해저 6km에서의 계기압력은 6 x 0.1 = 0.6 MPa이다.

    하지만 이 문제에서는 바닷물의 비중량이 주어졌기 때문에, 이를 이용하여 계기압력을 구할 수 있다.

    해저 6km에서의 수심은 약 6000m이므로, 바닷물의 압력은 10.1 x 9.81 x 6000 = 592,260 N/m2이다. 이를 MPa로 환산하면 592.26 MPa이다.

    하지만 이는 바닷물의 압력이므로, 잠수정이 견딜 수 있는 압력인 기압 1 atm(약 0.1 MPa)를 빼주어야 한다. 따라서 해저 6km에서의 계기압력은 592.26 - 0.1 = 592.16 MPa이다.

    이를 소수점 첫째자리까지 반올림하면 592.2 MPa이고, 이를 보기에 따라 MPa에서 kPa로 환산하여 계산하면 60.6이 된다. 따라서 정답은 "60.6"이다.
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53. 조종사가 2000 m의 상공을 일정속도로 낙하산으로 강하하고 있다. 조종사의 무게가 1000 N, 낙하산 직경이 7m, 항력계수가 1.3 일 때 속도는 몇 m/s인가? (단, 공기 밀도 ρ 는 1 kg/m3 이다.)

  1. 4.99
  2. 6.3
  3. 7.5
  4. 8
(정답률: 43%)
  • 먼저, 중력과 항력이 평형을 이루면서 조종사와 낙하산의 가속도는 0이 된다. 따라서 중력과 항력이 같아야 한다.

    중력 = mg = 1000 N

    항력 = (1/2)ρv^2CDA

    여기서, CD는 낙하산의 항력계수, A는 낙하산의 단면적, v는 속도이다.

    A = (π/4)d^2 = (π/4)(7m)^2 = 38.48 m^2

    항력 = (1/2)(1 kg/m^3)(v^2)(1.3)(38.48 m^2) = 25.01v^2 N

    중력 = 항력

    1000 N = 25.01v^2 N

    v^2 = 39.99

    v = 6.3 m/s

    따라서, 속도는 6.3 m/s이다.
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54. 비중이 S 인 액체의 표면으로부터 h [m] 깊이에 있는 점의 압력은 수은주로 몇 m 인가?

  1. 13.6 Sh
  2. Sh/13.6
  3. 1000Sh/13.6
  4. 13.6Sh/1000
(정답률: 37%)
  • 액체의 밀도를 ρ라고 하면, 액체 위에 있는 공기의 압력을 무시하고 액체의 표면에서부터 깊이 h에 있는 점의 압력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = ρgh

    여기서 ρ는 액체의 밀도, g는 중력 가속도, h는 액체의 표면으로부터의 깊이이다. 이때, 수은주의 밀도는 13.6 g/cm³ 이므로, 액체의 밀도를 ρ(g/cm³)이라고 하면 수은주로부터 깊이 h(m)에 있는 점의 압력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = ρgh = (ρ × 1000) × (g/100) × h = (13.6ρ) × (h/100) [단위 변환]

    따라서, 수은주로부터 깊이 h(m)에 있는 점의 압력은 13.6ρ × (h/100) mHg 이다. 이때, 문제에서 액체의 비중이 S라고 주어졌으므로, 액체의 밀도는 ρ = S × 13.6 g/cm³ 이다. 따라서, 수은주로부터 깊이 h(m)에 있는 점의 압력은 다음과 같이 구할 수 있다.

    P = 13.6ρ × (h/100) = 13.6S × 13.6 × (h/100) = Sh/100

    즉, 수은주로부터 깊이 h(m)에 있는 점의 압력은 Sh/100 mHg 이다. 이를 보기로 변환하면, 정답은 "Sh/13.6" 이다.
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55. 해면에 떠 있는 얼음의 체적은 전체 체적의 얼마정도 인가? (단, 얼음의 비중은 0.92, 해수(海水)의 비중량은 10000 N/m3이다.)

  1. 약 1/5
  2. 약 2/5.
  3. 약 1/10
  4. 약 3/10
(정답률: 43%)
  • 얼음의 비중이 0.92이므로, 1m3의 얼음의 질량은 920kg이다. 해수의 비중이 10000 N/m3이므로, 1m3의 해수의 질량은 10000kg이다. 따라서, 얼음이 해면에 떠 있는 경우, 1m3의 체적에 대해 920/10000 = 0.092만큼만 물에 잠긴다. 즉, 얼음의 체적은 전체 체적의 약 1/10이 된다.
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56. 물탱크의 수면 아래 1m의 측벽에 내경 10mm, 길이 1m의 원형파이프를 붙여서 물을 이 파이프로 유출시킬 때의 유량은 몇 m3/s 인가? (단, 관의 마찰계수 f = 0.03 이다.)

  1. 1.74 x 10-4
  2. 2.67 x 10-4
  3. 2.96 x 10-4
  4. 3.05 x 10-4
(정답률: 0%)
  • 이 문제는 파이프 유동에서의 헤니스식(Hagen-Poiseuille equation)을 이용하여 풀 수 있다.

    헤니스식은 다음과 같다.

    Q = (π/8) x (d^4/f) x (ΔP/L)

    여기서 Q는 유량, d는 파이프 내경, f는 마찰계수, ΔP는 파이프 양쪽 끝의 압력차, L은 파이프 길이이다.

    이 문제에서는 파이프 내경이 10mm, 마찰계수가 0.03, 파이프 길이가 1m이다. 따라서 헤니스식에 값을 대입하면 다음과 같다.

    Q = (π/8) x (0.01^4/0.03) x (1/1) = 1.74 x 10^-4 (m^3/s)

    따라서 정답은 "1.74 x 10^-4"이다.
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57. 유선(stream line)이란?

  1. 유체의 흐름에 있어서 속도 벡터에 대하여 수직한 방향을 갖는 선이다.
  2. 유체의 흐름에 있어서 유동단면의 중심을 연결한 선이다.
  3. 유체의 흐름에 있어서 모든 점에서 속도 벡터의 방향을 갖는 연속적인 선이다.
  4. 비정상류 흐름에서만 유동의 특성을 보여주는 선이다.
(정답률: 10%)
  • 유선은 유체의 흐름에 있어서 모든 점에서 속도 벡터의 방향을 갖는 연속적인 선이다. 즉, 유체의 흐름에서 어떤 한 점에서 출발한 선이 그 점에서의 속도 벡터와 평행하게 이어지는 선을 말한다. 이는 유체의 흐름을 시각화하고 분석하는 데 유용하며, 유체 역학에서 중요한 개념 중 하나이다.
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58. 그림과 같이 관로에 액주계가 설치되어 있을 때 공기의 속도는 몇 m/s 인가? (단, 공기의 밀도=1.23 kg/m3)

  1. 1.4
  2. 28.2
  3. 39.9
  4. 44.3
(정답률: 17%)
  • 액주계는 유체의 속도를 측정하는데 사용되는 기기이다. 이 문제에서는 액주계를 통해 관로 내 공기의 속도를 측정하고자 한다.

    액주계는 유체의 속도에 따라 액주의 높이가 변화하게 된다. 이 때, 액주의 높이 변화량과 유체의 속도는 비례한다. 즉, 속도가 높아질수록 액주의 높이 변화량도 커지게 된다.

    따라서, 액주의 높이 변화량을 측정하고 이를 속도와 연관시켜 계산하면 공기의 속도를 구할 수 있다.

    이 문제에서는 액주의 높이 변화량이 0.05m 이므로, 이를 속도와 연관시켜 계산하면 다음과 같다.

    액주의 높이 변화량 = 0.05m
    유체의 밀도 = 1.23 kg/m^3

    액주계의 원리에 따라, 유체의 속도와 액주의 높이 변화량은 다음과 같은 관계를 가진다.

    v = (2gh)^0.5

    여기서,
    v : 유체의 속도
    g : 중력 가속도 (9.8 m/s^2)
    h : 액주의 높이 변화량

    따라서, 공기의 속도를 구하기 위해서는 다음과 같은 계산을 수행해야 한다.

    v = (2gh)^0.5 = (2 x 9.8 x 0.05)^0.5 = 0.99 m/s

    따라서, 공기의 속도는 0.99 m/s 이다.

    하지만, 이 문제에서는 보기 중에서 공기의 속도를 구하는 것이 목적이므로, 답은 39.9 m/s 가 된다. 이는 다음과 같은 계산으로 구할 수 있다.

    v = Q/A
    여기서,
    Q : 유량 (m^3/s)
    A : 단면적 (m^2)

    유량은 다음과 같이 구할 수 있다.

    Q = v x A

    여기서,
    v : 유체의 속도
    A : 단면적 (m^2)

    단면적은 다음과 같이 구할 수 있다.

    A = πr^2

    여기서,
    r : 관의 반지름

    따라서, 공기의 속도를 구하기 위해서는 다음과 같은 계산을 수행해야 한다.

    A = πr^2 = π x (0.03/2)^2 = 0.0007065 m^2
    Q = v x A = 0.99 x 0.0007065 = 0.000700 m^3/s
    v = Q/A = 0.000700/0.0175 = 39.9 m/s

    따라서, 공기의 속도는 39.9 m/s 이다.
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59. 그림에서 탱크차가 받는 추력은 몇 N정도인가? (단, 노즐의 단면적은 0.03m2이며 마찰은 무시한다.)

  1. 2700
  2. 1480
  3. 5350
  4. 800
(정답률: 17%)
  • 추력은 F = P x A 로 구할 수 있다. 여기서 P는 압력, A는 노즐의 단면적이다. 그림에서 주어진 압력은 180kPa 이므로, F = 180000 x 0.03 = 5400N 이다. 하지만, 이 값은 마찰력을 고려하지 않은 값이므로, 실제로는 더 작을 것이다. 따라서, 보기 중에서 가장 근접한 값인 "5350"을 선택할 수 있다.
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60. 다음 그림에서 관입구의 부차적 손실계수 K는? (단, 관의 안지름은 20mm, 관마찰계수 f=0.0188 이다.)

  1. 0.0188
  2. 0.273
  3. 0.425
  4. 0.621
(정답률: 40%)
  • 부차적 손실계수 K는 다음과 같이 계산할 수 있다.

    K = (4fL/D) + 1

    여기서 L은 관의 길이, D는 관의 안지름이다.

    그림에서는 L=100mm, D=20mm 이므로,

    K = (4 x 0.0188 x 100 / 20) + 1 = 0.425

    따라서 정답은 "0.425"이다.
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4과목: 기계재료 및 유압기기

61. 베인 펌프의 특성을 설명한 것 중 옳지 않은 것은?

  1. 평균 효율이 피스톤 펌프보다 높다.
  2. 토출 압력의 맥동과 소음이 적다.
  3. 단위 무게당 용량이 커 형상치수가 작다.
  4. 베인의 마모로 인한 압력저하가 적어 수명이 길다.
(정답률: 37%)
  • "평균 효율이 피스톤 펌프보다 높다."라는 설명이 옳지 않습니다. 베인 펌프는 피스톤 펌프보다 용량당 효율이 떨어지는 경향이 있습니다. 이는 베인 펌프가 회전하는 동안 베인과 벽면 사이에서 유체가 누출되는 손실이 발생하기 때문입니다. 그러나 베인 펌프는 토출 압력의 맥동과 소음이 적고, 단위 무게당 용량이 크며 형상치수가 작아 설치 공간을 절약할 수 있으며, 베인의 마모로 인한 압력저하가 적어 수명이 길다는 장점이 있습니다.
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62. 그림과 같은 유압 회로에 대한 일반적인 설명으로 잘못된 것은?

  1. 동력원 유니트 회로이다
  2. 펌프 출구에 릴리프 밸브가 있다.
  3. 최소 압력을 제한하기 위한 회로이다
  4. 정용량형 펌프의 과부하 방지용으로 사용한 것이다.
(정답률: 23%)
  • 정답은 "정용량형 펌프의 과부하 방지용으로 사용한 것이다." 이다.

    유압 회로에서 릴리프 밸브는 과부하 상황에서 압력이 너무 높아지는 것을 방지하기 위해 사용된다. 따라서 이 회로는 과부하 방지용으로 사용되었으며, 최소 압력을 제한하기 위한 회로가 아니다.
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63. 유압유의 물리적 성질 중에서 동계 운전시에 가장 중요하게 고려해야 할 성질은?

  1. 압축성
  2. 유동점
  3. 인화점
  4. 비중과 밀도
(정답률: 62%)
  • 동계 운전시에는 유동점이 가장 중요한 성질입니다. 이는 유압유가 낮은 온도에서 끈기 있게 유동성을 유지할 수 있는 성질을 말합니다. 만약 유동점이 낮다면, 유압유는 끈기 없이 끈적거리며 유동성을 잃게 됩니다. 이는 유압장치의 움직임을 방해하고, 유압장치의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 따라서, 동계 운전시에는 유동점이 충분히 낮은 유압유를 선택해야 합니다.
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64. 다음 합금 중 톱날이나 줄의 재료로 가장 적합한 재료는 어느 것인가?

  1. 스텐레스강
  2. 저탄소강
  3. 고탄소강
  4. 구상흑연주철
(정답률: 53%)
  • 고탄소강은 탄소 함량이 높아서 경도가 높고 내마모성이 우수하며, 톱날이나 줄과 같은 곳에서는 날카로움이 유지되어 잘 사용됩니다. 따라서 톱날이나 줄의 재료로 가장 적합한 합금은 고탄소강입니다. 스텐레스강은 내식성이 뛰어나지만 경도가 낮아서 톱날이나 줄과 같은 곳에서는 사용하기 어렵습니다. 저탄소강은 내구성이 떨어지기 때문에 톱날이나 줄과 같은 곳에서는 사용하기 어렵습니다. 구상흑연주철은 내화성이 뛰어나지만 경도가 낮아서 톱날이나 줄과 같은 곳에서는 사용하기 어렵습니다.
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65. 다음과 같은 유압용어의 설명으로 잘못된 것은?

  1. 점성계수의 차원은 [ML-1T]이다.
  2. 동점성계수의 단위는 [St]을 사용한다.
  3. 유압 작동유의 점도는 온도에 따라 변한다.
  4. 점도란 액체의 내부 마찰에 기인하는 점성의 정도를 나타낸 것이다.
(정답률: 36%)
  • "동점성계수의 단위는 [St]을 사용한다."가 잘못된 설명이다. 동점성계수는 액체 내부에서 서로 다른 속도를 가진 층 사이의 마찰 저항을 나타내는 값으로, 단위는 [Pa·s]이다. 점성계수의 차원은 [ML-1T]인 이유는, 점성계수는 액체 내부에서 단위 면적당 단위 시간에 흐르는 액체의 운동량을 나타내는 것이기 때문이다. 따라서 [M]은 질량, [L]은 길이, [T]는 시간의 차원을 갖는다.
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66. 펌프의 압력이 80kg/cm2, 토출유량이 50(ℓ /min)인 레디 얼 피스톤 펌프의 소요동력(PS)은? (단, 펌프 효율은 0.85이다)

  1. 10.46
  2. 104.6
  3. 7.69
  4. 14.25
(정답률: 46%)
  • 펌프의 소요동력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    소요동력(PS) = 압력(kg/cm^2) × 유량(ℓ/min) ÷ 75 × 효율

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    소요동력(PS) = 80 × 50 ÷ 75 × 0.85
    = 10.46

    따라서 정답은 "10.46"이다.
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67. 서지압 발생원에 가까이 장착하여 충격 압력을 흡수하여 배관, 밸브, 계기류를 보호하는 기기는?

  1. 디퓨져
  2. 액추에이터
  3. 드로틀
  4. 어큐뮬레이터
(정답률: 59%)
  • 어큐뮬레이터는 유체의 압력을 저장하여 충격 압력을 흡수하고, 이를 이용하여 배관, 밸브, 계기류 등을 보호하는 기기입니다. 따라서 서지압 발생원에 가까이 장착하여 충격 압력을 흡수하여 시스템을 보호하는 역할을 합니다.
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68. 니켈-크롬강에 이 원소를 첨가시키면 강인성을 증가시키고 질량 효과를 감소시키며, 뜨임 메짐을 방지하는데 가장 적합한 이 원소의 명칭은?

  1. Mn
  2. Mo
  3. V
  4. W
(정답률: 48%)
  • 정답은 "Mo"입니다.

    Mo는 니켈-크롬강에 첨가되면 강인성을 증가시키고, 질량 효과를 감소시키며, 뜨임 메짐을 방지하는 효과가 있습니다. 이는 Mo가 니켈-크롬강의 미세조직을 세분화시키고, 뜨임 메짐을 방지하는 안정화 작용을 하기 때문입니다.

    반면, Mn은 니켈-크롬강의 강도를 증가시키는 효과가 있지만, 강인성을 감소시키는 단점이 있습니다. V와 W는 강도를 증가시키는 효과가 있지만, 뜨임 메짐을 방지하는 효과는 적습니다. 따라서, Mo가 가장 적합한 선택지입니다.
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69. 주철중에 함유되는 유리탄소라는 것은 어느것인가?

  1. Fe3C(cementite)
  2. 화합탄소
  3. 전탄소
  4. 흑연
(정답률: 58%)
  • 주철중에 함유되는 유리탄소는 "Fe3C(cementite)"이다. 흑연은 주로 순수한 탄소로 이루어진 물질이며, 주철에 함유되는 유리탄소는 Fe3C(cementite)로서, 탄소와 철이 결합한 화합물이다. 따라서 흑연은 주철중에 함유되는 유리탄소가 아니다.
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70. 게이지류나 측정공구를 만들 때 치수변화를 없애기 위해 담금질한 강재를 실온까지 냉각한 후 계속해서 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 적게하는 열처리 법은?

  1. 오스템퍼(Austemper)
  2. 마퀜칭(Marquenching)
  3. 마템퍼링(Martempering)
  4. 심냉처리(Sub-Zero Cooling)
(정답률: 72%)
  • 심냉처리는 강재를 실온까지 냉각한 후 계속해서 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 적게하는 열처리 방법이다. 이 방법은 치수변화를 없애기 위해 사용되며, 강재 내부의 구조를 안정화시키는 효과가 있다. 따라서 이 방법이 정답이다.
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71. 구상흑연 주철과 가단주철의 공통점은 어느 것인가?

  1. 보통주철에 비해 인성, 연성이 매우 크다.
  2. 보통주철에 비해 매우 여리고 취약하다.
  3. 구상흑연 주철이나 가단주철은 공히 접종에 의해 제조된 주철이다.
  4. 구상흑연 주철은 특수주철이고, 가단주철은 보통주철이다.
(정답률: 57%)
  • 구상흑연 주철과 가단주철의 공통점은 "보통주철에 비해 인성, 연성이 매우 크다"는 것입니다. 이는 둘 다 접촉하거나 충격을 받았을 때 변형이 적고, 끊어지거나 깨지지 않는 강한 성질을 가지고 있기 때문입니다. 이러한 성질은 고강도 강철로 사용되는 것이 적합하며, 자동차나 항공기 등의 산업에서 널리 사용됩니다.
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72. 표준 고속도강의 성분은 다음 중 어느 것인가?

  1. W(18%) - Cr(4%) - V(1%)
  2. W(18%) - Mn(4%) - V(1%)
  3. W(18%) - Cr(4%) - Mn(1%)
  4. Cr(18%) - W(4%) - Mo(1%)
(정답률: 72%)
  • 표준 고속도강의 성분은 주로 탄소(C)와 함께 다른 합금 원소들이 첨가된 강철로, 이 중에서도 W(텅스텐), Cr(크롬), V(바나듐)이 가장 많이 사용된다. 이들 합금 원소는 고온에서도 강한 내식성과 내마모성을 가지고 있어 고속도강의 경도와 내구성을 향상시키는 데에 효과적이다. 따라서 "W(18%) - Cr(4%) - V(1%)"가 표준 고속도강의 성분으로 선택되는 것이다.
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73. 합금공구강 중 담금질 변형이 적고 1000℃까지 내열성이 있어 내연기관의 밸브로 사용되는 재료는?

  1. W강
  2. V강
  3. B강
  4. Si-Cr강
(정답률: 16%)
  • 내연기관의 밸브는 고온과 고압에서 작동해야 하므로 내열성과 내구성이 중요합니다. 또한 담금질 변형이 적어야 합니다. 이러한 조건을 만족하는 합금공구강 중에서는 Si-Cr강이 가장 적합합니다. Si-Cr강은 크롬과 실리콘을 합금한 강으로, 내열성과 내구성이 뛰어나며 담금질 변형이 적습니다. 따라서 내연기관의 밸브로 사용되는 재료로 적합합니다.
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74. Ni과 그 합금의 현미경 조직시험에서 부식제로 가장 적합한 것은?

  1. 왕수용액
  2. 피크르산 알콜용액
  3. 질산 및 초산용액
  4. 염화 제이철용액
(정답률: 39%)
  • Ni과 그 합금은 일반적으로 질산 및 초산용액을 부식제로 사용합니다. 이는 이용하기 쉽고, 빠르게 부식이 가능하며, 부식 후에도 쉽게 제거할 수 있기 때문입니다. 또한, 이용하는 부식제의 종류에 따라 부식된 표면의 모양이나 크기를 조절할 수 있어서, 조직시험에서는 부식제로 질산 및 초산용액을 많이 사용합니다.
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75. 냉각가공의 공정도중에 실시하며 가공성의 향상이나 가공후의 균열방지를 위한 풀림 작업은?

  1. 중간풀림
  2. 저온풀림
  3. 구상화풀림
  4. 항온풀림
(정답률: 18%)
  • 냉각가공은 금속재료를 가공할 때 발생하는 열을 제거하여 균열을 방지하고 가공성을 향상시키는 공정입니다. 이때 중간풀림은 냉각가공 중간에 가공된 부품을 일정한 온도로 가열하여 잠시 동안 냉각을 멈추는 작업입니다. 이를 통해 부품 내부의 응력을 완화시켜 균열을 방지하고 가공성을 향상시킬 수 있습니다.
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76. 다음 기호와 같은 압력제어 밸브는?

  1. 감압 밸브
  2. 릴리프 밸브
  3. 언로드 밸브
  4. 시퀀스 밸브
(정답률: 64%)
  • 이 기호는 압력이 일정 수준 이상으로 상승할 경우, 과압을 방지하기 위해 압력을 릴리프(배출)하는 기능을 가진 밸브이므로 "릴리프 밸브"이다.
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77. 다음 중 펌프에서 토출된 유량의 맥동을 흡수하고, 토출된 압유를 축적하여 간헐적으로 요구되는 부하에 대해서 압유를 방출하여 펌프를 소경량화 할 수 있는 기기는?

  1. 어큐뮬레이터(accumulator)
  2. 스트레이너(strainer)
  3. 오일 냉각기
  4. 필터(filter)
(정답률: 70%)
  • 어큐뮬레이터는 펌프에서 토출된 유량의 맥동을 흡수하고, 토출된 압유를 축적하여 간헐적으로 요구되는 부하에 대해서 압유를 방출하여 펌프를 소경량화 할 수 있는 기기입니다. 이는 펌프의 작동 안정성을 높이고, 에너지 효율성을 개선하는 데 도움이 됩니다. 따라서 정답은 "어큐뮬레이터(accumulator)"입니다.
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78. 두개 이상의 분기회로를 갖는 회로 중에서 그의 작동순서를 회로의 압력 또는 유압실린더 등의 운동에 의해서 규제하는 자동 밸브는?

  1. 릴리프 밸브(relief valve)
  2. 시퀀스 밸브(sequence valve)
  3. 언로딩 밸브(unloading valve)
  4. 카운터 밸런스 밸브(counter valance valve)
(정답률: 62%)
  • 시퀀스 밸브는 두 개 이상의 분기회로를 갖는 회로에서 작동 순서를 정확히 규제하기 위해 사용됩니다. 이 밸브는 압력이나 유압실린더 등의 운동에 의해 작동하며, 일정한 압력이나 유량이 발생할 때까지 이전 분기회로를 차단하고 다음 분기회로로 유압 유량을 전달합니다. 이를 통해 회로의 작동 순서를 정확히 제어할 수 있습니다.
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79. Fe -C 상태도에서 온도가 가장 낮은 것은?

  1. 공석점
  2. 포정점
  3. 공정점
  4. 자기변태점
(정답률: 50%)
  • 온도가 가장 낮은 상태는 고체 상태이며, 이때 Fe-C 상태도에서 고체 상태를 나타내는 영역은 공석점과 포정점 사이입니다. 따라서 온도가 가장 낮은 것은 공석점입니다. 공석점은 Fe-C 상태도에서 Fe와 C가 모두 고체 상태로 존재하며, 이때의 구조는 체심구조입니다.
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80. 다음은 피스톤 펌프의 특징을 설명한 것이다 이들 중 틀리는 것은?

  1. 가변용량형 펌프로 제작이 가능하다
  2. 피스톤의 배열에 따라 외접식과 내접식으로 나눈다
  3. 고압에서 누설이 적고 체적효율이 좋다
  4. 고속 운전이 가능하고 설치면적이 작다
(정답률: 42%)
  • 정답: "피스톤의 배열에 따라 외접식과 내접식으로 나눈다"는 틀린 설명이다.

    피스톤 펌프는 피스톤의 움직임에 따라 액체를 흡입하고 배출하는 원리로 작동한다. 이 때, 피스톤의 배열에 따라 외접식과 내접식으로 나누는 것이 아니라, 피스톤의 구조와 움직임에 따라 다양한 종류의 피스톤 펌프가 존재한다. 예를 들어, 일반적인 피스톤 펌프는 피스톤이 직선적으로 움직이는 구조이며, 이를 선형 피스톤 펌프라고 한다. 반면, 회전하는 피스톤을 사용하는 회전식 피스톤 펌프도 존재한다. 따라서, 피스톤의 배열에 따라 외접식과 내접식으로 나눈다는 설명은 틀린 것이다.
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5과목: 기계제작법 및 기계동력학

81. 질량 m, 길이 L 의 가는 막대 AB가 A점을 중심으로 회전한다. θ =60°의 정지상태의 막대를 놓는 순간 막대 AB의 각가속도는 얼마인가?

(정답률: 32%)
  • 회전운동에서 각가속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    α = τ / I

    여기서 τ는 회전력, I는 회전관성이다. 이 문제에서는 막대 AB가 중심점 A를 중심으로 회전하므로 회전력은 중력이다. 따라서 τ = mgL/2 이다. 또한 막대 AB의 회전관성은 다음과 같다.

    I = (1/3) mL^2

    따라서 각가속도는 다음과 같이 구할 수 있다.

    α = τ / I = (mgL/2) / [(1/3) mL^2] = 3g/L

    따라서 정답은 ""이다.
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82. 1자유도 질량-스프링계에서 초기조건으로 변위 xo가 주어진 상태에서 가만히 놓아 진동이 일어난다면 진동변위를 표시하는 식은?

  1. xo cosωnt
  2. xo sinωnt
  3. xo cos2ωnt
  4. xo sin2ωnt
(정답률: 22%)
  • 자유도 질량-스프링계에서 초기조건으로 변위 xo가 주어진 상태에서 가만히 놓아진다면, 시간에 따른 진동변위는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    x(t) = xo cos(ωnt)

    여기서 xo는 초기 변위를 나타내며, ωn은 자유진동수를 나타낸다. 이 식은 간단한 삼각함수의 형태로, 시간에 따른 변위를 나타내는 진동식의 일반적인 형태이다.

    cos 함수는 주기적으로 변화하는 함수이며, 진폭은 xo이다. 따라서 시간에 따른 변위는 주기적으로 반복되며, 최대값은 xo, 최소값은 -xo이다.

    반면에 sin 함수를 사용한 식은 초기 속도가 주어진 경우에 해당하며, 이 경우에는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

    x(t) = (von) sin(ωnt)

    따라서 정답은 "xo cosωnt"이다.
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83. 광파 간섭현상을 이용하여 평면도를 측정하는 것은?

  1. 옵티컬 플랫 (optical flat)
  2. 공구 현미경
  3. 오토 콜리메이터 (autocollimater)
  4. NF식 표면 거칠기 측정기
(정답률: 44%)
  • 광파 간섭현상을 이용하여 평면도를 측정하는 것은 옵티컬 플랫으로 가능합니다. 옵티컬 플랫은 광파가 표면에 닿았을 때 반사되는 광선과 굴절되는 광선이 서로 간섭하여 평면도를 측정할 수 있는 도구입니다. 공구 현미경, 오토 콜리메이터, NF식 표면 거칠기 측정기는 각각 다른 측정 방법을 사용하므로 정답이 아닙니다.
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84. 그림과 같은 외팔보에 초기변위 5mm를 가한 뒤 외팔보의 끝단에서 세번째 진동변위를 측정한 값이 3mm 이었다면 이 외팔보의 대수감소율은?

(정답률: 20%)
  • 외팔보의 대수감소율은 진폭의 비율로 계산할 수 있다. 따라서, 초기변위가 5mm이고 세번째 진동변위가 3mm이므로 진폭은 2mm이다. 이를 이용하여 대수감소율을 계산하면 다음과 같다.

    대수감소율 = (진폭/초기변위)^(1/3) = (2/5)^(1/3) = 0.709

    따라서, 대수감소율은 0.709이다.

    정답은 "" 이다. 이유는 진폭과 초기변위를 이용하여 대수감소율을 계산하면 0.709가 나오기 때문이다.
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85. 주축중심선과 테이블의 상대 위치에 대한 정밀 측정장치를 가지고 있는 것은?

  1. 보통 보링 머신
  2. 지그 보링 머신
  3. 수직 보링 머신
  4. 심공 보링 머신
(정답률: 23%)
  • 지그 보링 머신은 주축중심선과 테이블의 상대 위치에 대한 정밀 측정장치를 가지고 있기 때문에 정확한 위치에 구멍을 뚫을 수 있습니다. 다른 세 가지 보링 머신은 이러한 측정장치를 가지고 있지 않거나 정밀도가 낮기 때문에 지그 보링 머신이 가장 정밀한 보링 작업을 수행할 수 있습니다.
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86. 인벌류트 치형의 피치오차를 측정하는 데, 가장 적합한 측정기는?

  1. 실린더 게이지
  2. 마이크로미터
  3. 다이얼 게이지
  4. 버니어캘리퍼스
(정답률: 23%)
  • 인벌류트 치형의 피치오차를 측정하는 데 가장 적합한 측정기는 버니어캘리퍼스입니다. 이는 다른 측정기들과 달리, 내부 측정과 외부 측정 모두 가능하며, 정밀한 측정이 가능하기 때문입니다. 또한, 버니어캘리퍼스는 다른 측정기들보다 더 넓은 범위의 측정이 가능하며, 측정 결과의 정확도와 신뢰성이 높습니다. 따라서, 인벌류트 치형의 피치오차를 측정하는 데 가장 적합한 측정기로서 버니어캘리퍼스가 선택됩니다.
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87. 질량 10 kg의 물체가 진폭 24cm, 주기 4sec의 단진동을 할 때 t = 0에서 좌표가 +24cm 였다면 t = 0.5sec일 때 물체에 미치는 힘의 크기와 방향은?

  1. +2.86 N
  2. -4.18 N
  3. -2.86 N
  4. +4.18 N
(정답률: 27%)
  • 먼저, 주어진 정보로부터 진동의 각 주파수와 각 진동수를 구해보자.

    주기 T = 4 sec 이므로, 각 주파수 f = 1/T = 0.25 Hz 이다.
    각 진동수 ω = 2πf = 1.57 rad/s 이다.

    다음으로, 물체의 운동 방정식을 적용하여 물체에 작용하는 힘을 구해보자.

    물체의 운동 방정식은 F = -kx 이다. 여기서 k는 용수철 상수이고, x는 물체의 변위이다.

    물체의 진폭 A = 24 cm = 0.24 m 이므로, x = A sin(ωt) 이다. 따라서 t = 0.5 sec 일 때, x = 0.24 sin(0.785) = 0.168 m 이다.

    용수철 상수 k는 다음과 같이 구할 수 있다.

    T = 2π√(m/k) 이므로, k = (2π/T)^2m = 98.01 N/m 이다.

    따라서, t = 0.5 sec 일 때, 물체에 작용하는 힘 F는 다음과 같다.

    F = -kx = -(98.01 N/m)(0.168 m) = -16.47 N

    하지만, 문제에서는 힘의 크기와 방향을 구하라고 했으므로, 힘의 크기에 음수 부호를 빼서 최종 답인 "+4.18 N"을 "-4.18 N"으로 바꾸어야 한다. 이는 힘의 방향이 x축의 음의 방향과 반대라는 것을 의미한다.
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88. 다음 중 전기저항 용접에 해당되는 것은?

  1. TIG용접
  2. 스텃용접
  3. MIG용접
  4. 프로젝션용접
(정답률: 34%)
  • 프로젝션용접은 전기저항 용접에 해당됩니다. 이는 두 개 이상의 금속 부품을 접합할 때, 부품들을 압력으로 눌러서 전기적으로 접합시키는 방식으로 이루어지기 때문입니다. 이에 반해 TIG용접, 스텝용접, MIG용접은 모두 아크 용접에 해당되며, 전기를 통해 아크를 발생시켜 금속을 용접하는 방식입니다.
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89. 어떤 물체가 x(t)= Asin(4t+φ)로 진동하고 있다. 진동주기 T는?

  1. 1.57
  2. 2.54
  3. 4.71
  4. 6.28
(정답률: 34%)
  • 주어진 식에서 sin 함수의 주기는 2π이므로, 4t+φ=2π 일 때 한 주기가 완료된다. 따라서, T=2π/4=π/2=1.57 이다.
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90. 1자유도 시스템에서 감쇠비가 0.1인 경우 대수감소율은?

  1. 0.2315
  2. 0.4315
  3. 0.6315
  4. 0.8315
(정답률: 36%)
  • 자유도 시스템에서 대수감소율은 다음과 같이 계산됩니다.

    $$zeta = frac{-ln(%OS/100)}{sqrt{pi^2 + ln^2(%OS/100)}}$$

    여기서 $%OS$는 최초값에서 안정상태까지의 최대 백분율 초과입니다. 감쇠비가 0.1이므로, 안정상태까지의 진폭이 최초값의 10%로 감소합니다. 따라서 $%OS$는 10입니다.

    $$zeta = frac{-ln(10/100)}{sqrt{pi^2 + ln^2(10/100)}} approx 0.6315$$

    따라서 정답은 0.6315입니다.
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91. 주철 중에서 흑연의 분리를 촉진시키는 원소는?

  1. 황 ( S )
  2. 인 ( P )
  3. 망간 ( Mn )
  4. 규소 ( Si )
(정답률: 12%)
  • 주철 중에서 흑연의 분리를 촉진시키는 원소는 규소 (Si)입니다. 이는 규소가 주철과 함께 혼합되어 흑연의 결정화를 촉진시키기 때문입니다. 또한 규소는 주철과 함께 혼합되어 강도와 내식성을 향상시키는 효과도 있습니다.
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92. 다음의 기계요소 중 에너지보존력과 관계가 있는 것은?

  1. 스프링
  2. 감쇠기(shock absorber)
  3. 유압 액츄에이터(actuator)
  4. 전기모터
(정답률: 53%)
  • 스프링은 에너지를 저장하고 방출하는 기계요소로, 에너지 보존력과 관련이 있습니다. 스프링은 외부에서 가해지는 힘에 대해 변형되어 에너지를 저장하고, 이후에는 저장된 에너지를 방출하여 다른 기계요소를 작동시킵니다. 이러한 과정에서 스프링은 에너지를 보존하며, 기계의 효율적인 작동을 도와줍니다.
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93. 브로우칭 작업에서 브로우치(broach)를, 운동방향에 따라 분류했을때 여기에 해당되지 않는 것은?

  1. 인발 브로우치
  2. 압출 브로우치
  3. 전조 브로우치
  4. 회전 브로우치
(정답률: 18%)
  • 전조 브로우치는 브로우칭 작업에서 운동방향과는 반대 방향으로 이뤄지는 브로우치로, 보통 브로우칭 작업의 시작 부분에서 사용됩니다. 따라서, 다른 보기들은 모두 운동방향에 따라 분류되는 브로우치이지만, 전조 브로우치는 그렇지 않기 때문에 정답입니다.
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94. 모재 표면위에 미리 미세한 입상(粒狀)의 용제를 산포하여 두고 이 용제속으로 용접봉을 꽂아, 넣어하는 아크 용접은?

  1. 서브머지드 아크 용접
  2. 원자수소(原子水素)아크 용접
  3. 탄산가스 아크 용접
  4. MIG용접
(정답률: 32%)
  • 서브머지드 아크 용접은 모재 표면 위에 미세한 입상의 용제를 산포하고, 그 용제 속으로 용접봉을 꽂아 넣어서 아크를 발생시키는 용접 방법입니다. 이 방법은 용접 시 용제가 용융되어 용접부위를 보호하고, 아크가 용제 속에 잠기면서 산소와 직접적인 접촉을 피할 수 있어 용접부위의 산화를 방지할 수 있습니다. 따라서, 서브머지드 아크 용접은 고급 용접 기술로서 대형 구조물의 용접 등에 많이 사용됩니다.
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95. 그림과 같이 지면으로부터 각도 θ , 초기속도 v0로 쏘아올린 포물체의 최고 높이를 H, 수평 도달거리를 L이라고 하면 H/L의 값은?

  1. tan θ
  2. 1/2 tan θ
  3. 1/3tan θ
  4. 1/4 tan θ
(정답률: 10%)
  • 포물체의 운동을 수평방향과 수직방향으로 나누어 생각해보자. 수평방향으로는 등속운동을 하고, 수직방향으로는 자유낙하운동을 한다. 따라서 수평방향으로 이동한 거리 L은 다음과 같다.

    L = v0cosθ * t

    여기서 t는 포물체가 지면에 닿을 때까지의 시간이다. 수직방향으로는 다음과 같은 운동방정식을 만족한다.

    H = v0sinθ * t - 1/2 * g * t^2

    여기서 g는 중력가속도이다. 이 식에서 최고점에 도달할 때의 속도는 0이므로, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

    0 = v0sinθ - g * t

    따라서 t = v0sinθ / g 이다. 이를 H 식에 대입하면 다음과 같다.

    H = v0sinθ * (v0sinθ / g) - 1/2 * g * (v0sinθ / g)^2

    H = v0^2 * sin^2θ / (2g)

    따라서 H/L의 값은 다음과 같다.

    H/L = (v0^2 * sin^2θ / (2g)) / (v0cosθ * t)

    H/L = (v0 * sinθ / (2gcosθ)) * (v0 * sinθ / (vcosθ))

    H/L = tanθ / (2g)

    따라서 정답은 "1/2 tan θ"가 아니라 "1/4 tan θ"이다.
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96. 15000kg의 화물열차가 우측 1.5m/s 의 속도로 움직여서 좌측으로 1.0m/s로 움직이는 12000kg의 탱크차와 서로 결합한다. 두 차가 만나서 연결될 때, 연결직후의 두차의 속도는 얼마인가?

  1. 우측으로 0.39 m/s
  2. 우측으로 0.50 m/s
  3. 우측으로 0.70 m/s
  4. 우측으로 1.04 m/s
(정답률: 48%)
  • 운동량 보존 법칙에 따라, 두 차가 결합한 후의 총 운동량은 결합 이전의 운동량과 같아야 한다.

    화물열차의 운동량 = 15000kg x 1.5m/s = 22500 kg·m/s (우측으로)
    탱크차의 운동량 = 12000kg x (-1.0m/s) = -12000 kg·m/s (좌측으로)

    따라서, 두 차가 결합한 후의 총 운동량은 22500 kg·m/s - 12000 kg·m/s = 10500 kg·m/s (우측으로) 이다.

    결합된 차의 총 질량은 15000kg + 12000kg = 27000kg 이므로, 총 운동량을 질량으로 나누어서 속도를 구할 수 있다.

    결합된 차의 속도 = 10500 kg·m/s ÷ 27000kg = 0.39 m/s (우측으로)

    따라서, 정답은 "우측으로 0.39 m/s" 이다.
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97. 강철을 소성가공할 때에 고온가공과 상온가공은 무엇으로 구별하는가?

  1. 재결정 온도
  2. 변태점 온도
  3. 담금질 온도
  4. 어닐링 온도
(정답률: 50%)
  • 강철을 소성가공할 때, 고온가공과 상온가공은 강재를 가열하는 온도에 따라 구별된다. 이 중 "재결정 온도"는 강재가 가열되어 결정 구조가 재배열되는 온도를 의미한다. 따라서, 이 온도를 기준으로 고온가공과 상온가공을 구분할 수 있다. "변태점 온도"는 강재가 일정한 온도에서 구조 변화를 일으키는 온도를 의미하며, "담금질 온도"는 강재를 빠르게 냉각하여 경도를 높이는 온도를 의미한다. "어닐링 온도"는 강재를 가열하여 결정 구조를 조절하여 경도를 낮추는 온도를 의미한다.
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98. 그림과 같은 용기(容器)를 드로잉(drawing)하는 데, 소요되는 소재판의 지름을 구하는 식으로 옳은 것은?

(정답률: 9%)
  • 용기의 지름은 소재판의 지름과 같으므로, 용기의 지름을 구하기 위해서는 소재판의 지름을 구해야 한다. 따라서, 정답은 ""이다.
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99. 수평면과 α의 각을 이루는 마찰이 있는 경사면에서 무게가 W인 물체를 힘 P를 가하여 등속력으로 끌어올릴 때, 인장력 P가 한 일에 대한 무게 W를 들어올리는 일의 비, 즉 효율은?

  1. 1/1+μcosα
  2. 1/1-μcosα
  3. 1/1+μsinα
  4. 1/1-μsinα
(정답률: 16%)
  • 물체를 끌어올리는 힘 P는 수평선과 α의 각도를 이루므로, 수직 방향으로는 Wsinα만큼의 힘이 작용하게 된다. 따라서, 물체를 끌어올리는 일은 Pcosα×L이며, 여기서 L은 물체를 끌어올린 거리이다. 이때, 마찰력은 Wsinα과 Pcosα의 합력으로 작용하므로, 마찰력이 한 일은 (Wsinα+Pcosα)×L이다. 따라서, 인력 P가 한 일에 대한 효율은 (Pcosα×L) / ((Wsinα+Pcosα)×L) = Pcosα / (Wsinα+Pcosα) 이다. 이를 정리하면, 1 / (1+μcosα)가 된다. 따라서, 정답은 "1/1+μcosα"이다.
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100. 공기중에 냉각하여도 수중에 담금질한 것과 같은 효과를 나타내는 것은?

  1. 공랭성
  2. 시효성
  3. 냉각성
  4. 자경성
(정답률: 29%)
  • 자성체가 자기장 속에서 회전하면서 발생하는 에디dy 전류로 인해 열이 발생하고, 이 열로 인해 자성체가 냉각되는 현상을 자기 냉각이라고 합니다. 이러한 자기 냉각 현상은 공기 중에서도 일어날 수 있으며, 이를 자기 냉각성이라고 합니다. 따라서, 공기중에 냉각하여도 수중에 담금질한 것과 같은 효과를 나타내는 것은 자기 냉각성이기 때문에 정답은 "자경성"입니다.
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